LED蓝光危害的防治

倪泽成 倪孟麟 郭姝蓉

(1天津市照明学会计量测试专业委员会，天津 300193;2天津光电星球显示设备有限公司;天津 300385)

1 引言

LED光源和LED背光源及彩色显示器同属于光源色，蓝光是波长为400～500nm的高能量可见光。世卫组织WHO爱眼协会公布:因蓝光及辐射每年导致全球超过30000人失明，据中华医学会眼科学分会数据显示:在中国4.2亿网民中，63.5%的网民因蓝光、辐射有视力下降、白内障、失明等不同程度的眼疾。

蓝光对人体危害较其它波长的光线更为严重，短波蓝光具有极高能量，能够穿透晶状体直达视网膜，对视网膜造成光损伤，直接或间接导致黄斑区细胞的损害，蓝光会使眼睛内的黄斑区毒素量增高严重威胁我们的眼底健康。婴幼儿的眼睛最容易受到蓝光伤害。因为婴儿的晶状体相对比较清澈，难以过滤蓝光。0－2岁，大约70－80%的蓝光可以穿透晶状体到达视网膜;2－10岁，大约60－70%的蓝光会照射到视网膜。

黄斑变性的病理机制主要为黄斑区结构的衰老性改变，表现为视网膜色素上皮细胞对视细胞外界盘膜吞噬消化功能下降，导致黄斑变性发生。黄斑变性与黄斑区长期受到光损伤，造成脉络膜血管硬化，视网膜色素上皮细胞老化。黄斑变性是50岁以上人群失明的主要原因，在美国黄斑变性导致的失明比青光眼、白内障和糖尿性视网膜病变三种常见病致盲人数总和还要多。

LED光源发射的白光主要是靠450～455NM波长的蓝光激发荧光粉，其中波长越低击发能力越强，属于辐射伤害最强的区段。如果波长变大，激发荧光粉的能力就随之下降，发光效率就会降低。有些生产厂家为了追求高亮度，会加强LED光源的蓝光强度，人眼如果长期看这样的光源，眼睛会受到蓝光伤害。蓝光射入眼底经过聚焦后，焦点没有落在视网膜上，而是落在视网膜与晶状体之间。这就增大了光线在眼内聚焦的色差距离。而眼内焦点之间的距离是形成视物模糊的主要原因，所以蓝光的射入会加剧色差和视觉模糊度，到时眼部肌肉过度紧张，眼部供血过度紧张，眼部血液供应加强，从而加重疲劳。

LED光源工作时间越长，光源中的荧光粉衰减越快，结果就会导致蓝光波段的光照越来越强烈，对人眼造成越来越大的伤害力，这使我们不能不重视LED蓝光的危害，并要积极寻找防治LED蓝光危害的途径。

颜色分为光源色、反射色和透射色。反射色和透射色又合称为物体色。LED光源LED显示屏与LED背光源、CRT阴极射线管等显示屏同属于光源色，因而有相同的特性。我们以彩色显示器光源色为例，用大量的实验数据说明高色温的光源和背光源不仅存在着视觉疲劳而且图像效果也劣于低色温，因此应积极推广低色温的光源和背光源。向低色温的LED光源和背光源进军，这是防治LED蓝光危害的重要途径之一。

2 白场色度值在低色温附近群体的彩色显示器图像效果优于高色温附近群体的彩色显示器

向低色温的LED光源和背光源进军，不仅是防治LED蓝光危害的重要途径之一，还可以获得良好的图像效果。

我们可以从相关的科研成果中受到启迪。

2.1 沿普朗克轨迹不同色度坐标的调整

用1980A彩色亮度计测试这些彩色显示器白场色度坐标，数据详见表1。

表1 彩色显示器色度坐标Table 1 Chromaticity Coordinates of Color Monitor

2.2 沿等温线方向不同色度坐标的调整

在确定色温及相关色温概念的描述中，存在着这样一个需要解决的问题，贾德 (D.B.Judd)，凯来 (K.L.Kelly)曾做过一组正交于普朗克轨道的垂线，通称为等温线，在等温线上的各点都可用这条线与普朗克轨道交点的黑体温度，来表示色温或相关色温;但是对于这条等温线上的颜色不一致性，却没有给予明确的说明。目前，在光源色及其它领域中，有时只偏重注意到色温的数值，而没有同时着重注意到色品位置偏离普朗克轨迹的距离。

我们在确定理想色度值的同时，对白场色度坐标偏离普朗克轨道的距离进行了分析。主观评价结果表明，等色温线上各点并不等色，等色温线不能任意延伸。

2.3 主观评价方法实验条件

2.3.1 实验人员:年龄20～70岁，视力及色觉均正常。

文化程度初中～大学

被试人虽因自己的生活经历与情趣各不相同，实际上有着不同的记忆色与愿望色，有时又掌握着不同的评分标准。因此我们选择的被试人员有多方面的代表性。

2.3.2 实验条件:实验前将彩色显示器预热一小时，将各亮度、对比度、饱和度等调为一致。

2.3.3 实验方法:根据人们的记忆色与愿望色对荧光屏上的再现色做出判断。用优、良、中、差、劣五级分制作出主观评价的分类记载，优为5分。

2.3.4 实验图像:包括各主要类型肤色、树木、风光、秋实硕果、大海之滨、楼台馆舍、蓝天白云、红旗、人物服饰等十四种图像。

2.4 主观评价实验结果处理

2.4.1 按五级分制，实验人员分别评出12种白场色度值荧光屏上14种实验图像的主观评价分数。

2.4.2 对所有实验人员评出的分数按图像分类，分别计算出14种图像各自的平均分。按白场色度值分类，分别计算出12种白场色度值彩色显示器对14种图像的总平均分。以上数据均见表2。

表2 彩色复现主观评价Table 2 Subjective Valuatione of Color Reproduction

2.5 主观评价实验结果分析;

2.5.1 白场色品坐标落在普朗克轨迹附近的彩色显示器，对绝大部分图像的彩色复现优于色品坐标偏离普朗克轨迹的彩色显示器，即偏离普朗克轨迹MPCD数据大的彩色显示器.

2.5.2 白场色度值在低色温附近群体的彩色显示器图像效果优于高色温附近群体的彩色显示器。虽然，高色温的彩色显示器，初看时较为明亮，但很快就出现明显的视疲劳。而白场色度值在低色温附近群体的彩色显示器图像看起来柔和舒适，视疲劳小，彩色复现主观评价的评分较高。使用了稀土类化合物Y2O3:Eu和Y2O2S:Eu作为红荧光体，光效率有了提高，使得彩色显示器低色温基准白得以实现。

虽然，彩色显示器的低色温与的高色温代表值与LED光源低色温与的高色温代表值并不相同，但有同样的趋向。

3 应选择适用于光源及灯具发光特性的彩色亮度计测量色度值

选用适宜的彩色亮度计，准确测量LED等照明光源 (含灯具)的三基色度值X、Y、Z及色度坐标x、y，并能通过标准传递与中国计量科学研究院基准保持一致，这是取得正确结果的关键。

3.1 彩色亮度计的光谱响应

彩色亮度计是光源及灯具和光环境色度测量中最重要的测色仪器，彩色亮度计滤色片与光电倍增管组合后的探测器应尽量精确地符合光谱三刺激值曲线X(λ)、Y(λ)、和Z(λ)。X(λ)在短波段和长波段有两个波峰X1(λ)、X2(λ)。

国家电视质量检验中心安永成等编著的“彩色电视机性能测量原理与方法”一书中指出:“三个滤光片的仪器，与上图的光谱三刺激值相比，它没有办法模拟X1(λ)的作用，给测量带来了一定的误差;而美国生产的1980A、1980B等彩色亮度计由四组滤光片分别模拟上图中的X1(λ)、X2(λ)，Y(λ)、和Z(λ)的响应曲线。”

目前相关行业使用的仪器如CS－100和BM－7等，在光谱响应上只有三部分，无法良好模拟X1(λ)的作用，也不具备校准功能，给测量带来无法克服的误差。色度测量仪器的任务是准确测量和计算出X1、X2、Y、Z四个分量即可。我们均可通过数学变换来计算出x、y，u、v，u’、v’等。反之，如果一台仪器不能准确测量和计算出X1、X2、Y、Z四个分量，会带来可观的误差。有的仪器甚至以色温误差作为衡量，造成只在色度坐标x误差上给予限制;色度坐标y出现了相当大的误差。

选用适宜的彩色亮度计，准确测量LED等照明光源 (含灯具)的三基色度值X、Y、Z及色度坐标x、y，并能通过标准传递与中国计量科学研究院基准保持一致，这是取得正确结果的关键。

按下列公式可求得1980A适宜色修正系数

其中:x0、y0是中国计量科学研究院测量该光源的色度坐标，p0、Xr、Xb、z0是1980A测量光源的四组输出数据。可给出白、红、绿、兰场相应的色修正系数。

经上述校正后，其仪器示值色度坐标误差可达到国家对标准彩色亮度计的技术要求 (彩色亮度计分标准、一级、二级、三级)

其测量准确度、精确度可与国家级同步，当中国计量科学研究院提供相应标准色源的色度坐标，即可以实现国家对红、绿、兰场的修正系数C1、C2的量值传递。而不必每次使用前均需进行校准。

3.2 应使用光电倍增管型做探测器的彩色亮度计

根据中国计量科学研究院光学处殷玉喆、马煜、周庆国、桂康年和北京理工大学光电工程系郑阳、侯素芳、芦汉生等人撰写的“光源色度国家基标准装置体系的建设”一文中证实:“平板显示光源的光谱分布都属于谱线型的，各个谱线之间的强度差别往往达到三个数量级以上，常用的CCD光谱型测光测色仪器，例如Photo Research的PR650/705等，不能提供足够的动态范围来满足色度测量的定标需要。因此，必须要用高动态范围的测色仪器，至少要采用光电二极管阵列 (PDA)，甚至是光电倍增管(PMT)作探测器的测光测色仪器才能满足需求。”

如使用CCD器件的PR650、SR－3A会出现中国计量科学研究院发表的文章中所指出的问题。

3.3 测量光谱分布的技术条件十分严格

中国计量科学研究院光学处刘慧、肖文宾撰写的“关于颜色温度测量的几个问题”一文中证实:“相对光谱功率测量过程中所采用的波长间隔△λ将直接影响计算结果的精度，△λ越小，测量精度越高，但测量时间增加，应根据种类的不同选用不同的采样间隔△λ。对于一个实际色温为6520K的18W荧光灯测量过程中选用5nm的采样间隔，则测得色温为7539K，如果选用△λ=2nm的采样间隔，则测得色温为6520K。而对于连续光谱的白炽灯，选用△λ=5nm的采样间隔，便可保证测量结果的正确性。如前所述的色温6520K的荧光灯，若单色仪的起始波长向长波方向偏0.2nm则测得色温为7539K;向长波方向偏1.2nm则测得色温为8683K，向短波方向偏1.2nm则测得色温为5666K。”

PR－650光谱带宽8nm，取样间隔4nm，光谱准确度为±2nm;PR－670光谱精度为±1nm，光谱带宽8nm(或5nm)，因而只能给出测量 A光源(连续光谱)的颜色精度。如用上述光谱型仪器测量含线性光谱的光源如高压钠灯、汞灯、荧光灯等节能灯、LED灯及灯具和光色环境，则会出现上述几篇文章中指出的测量误差过大的问题。例如:光谱精度出现0.2nm的误差，色温测量结果就会出现1000K的误差;光谱带宽和取样间隔5nm也会出现1000K的误差。而PR－670给出的技术指标比上述误差还要大。因此不适合测量上述多种光源。

综上所述，在测量含线谱的光源如高压钠灯、汞灯和荧光灯等对光谱仪器的技术性能及测量条件有严格的要求，光谱测色法很容易引入极为可观的误差，可能带来不必要的干扰。所以除国家级计量部门外，应慎建或不建光谱分布测色法;在相当多数的情况下，解决工作中一系列的实际技术关键，既不是测量色温和测量光谱分布;而是准确测量光源的色度坐标，用四组滤光片彩色亮度计做好标准传递即可准确测量光源的色度坐标。

4 正确选择仪器用于光源色的色度测量

中国科学院院士著名数学家王梓坤在科学发现纵横谈一书中指出:“科学研究需要多种才能，制造仪器之才，观察实验之才，抽象思维之才等”王梓坤是一位数学家，数学是推理性的科学，但他也把制造仪器之才列为首位，可见科学仪器在人类全部科学实践中的重要作用。使用科学仪器是人类走向现代文明的先锋与基石。从事夜景照明和LED应用与研究的科学工作者虽不一定要有制造仪器的才能，但一定要有在自己的领域里根据不同场合正确选择和积极使用仪器的能力。

根据上述技术要求SPECTRA PR1TCHARD PHOTOMETER 1980适用于测量光源色及灯具和光环境的色度。

4.1 1980的接收器件是光电倍增管，(PR650、PR704、BM－7、SR－3A接收器件均为CCD)。

4.2 1980含五个视场角，可适应各种场合的需要，亮度测试范围宽广，由 10－4到 108(Candelas/Meter2)，SR－3A20视场最高测量亮度为3，000尼特。

4.3 1980为四组滤光片彩色亮度计，符合国家电视质量检验中心发表文章所指出的技术要求。

4.4 通过推算出C1、C2可以使1980与中国计量院的测色结果保持完全一致，圆满地进行国家级的计量传递，取得正确的测量结果。

5 低照度下舒适的光色是偏黄的暖白色

低照度下偏黄色或偏黄的暖白色将激发起人类的喜庆感、华丽感、舒适的温暖感。

在高照度下，舒适的光色是偏兰的白色，使人联想到日光，但在低照度，舒适的光色是接近偏黄色的火焰光，这是符合人类的生理特点。研究结果表明，照度水平与光色的舒适感有关，在很低照度下，舒适的光色接近火焰 (篝火、蜡烛、油灯)的光色，使人感到平和轻松。而高色温的光在低照度下使人阴沉、昏暗;在偏低或中等照度下舒适的光色是接近黎明和黄昏的光色;只有在高照度下舒适的光色才是接近中午阳光的光色。因此，低照度下应使用低色温的光源，在高照度下应使用高色温的光源。夜景照明属于低照度，因此我多次建议夜景照明主色调应采用偏黄的暖色调，以提高景观照明的舒适感和美誉力。

为制造低色温的LED光源，在光谱中不足的红光成分，可采用追加荧光体的方法来补充。除了黄光荧光体外，还要增加红光荧光体。在蓝光LED周围，使绿光荧光体及黄光荧光体相组合，进一步再与红光荧光体相组合，使用这种组合荧光体就有可能制作出红光成分多，显色性优良的白光LED照明及白灯泡色LED照明。由改变多种荧光体的配比在制造LED光源过程中，对合成的光谱形状进行调整达到所需的色温和色度坐标及显色性。使用了稀土类化合物Y2O3:Eu和Y2O2S:Eu作为红荧光体，光效率有了提高，使得彩色显示器低色温基准白得以实现。同样，为制造低色温的LED光源，不断研制优良的红光荧光体是解决LED蓝光危害的关键。

综上所述，向低色温的LED光源和背光源进军，不仅可以防治LED蓝光危害，还可以获得良好的图像效果激发起人类的喜庆感、华丽感、舒适的温暖感。

研究绿光荧光体黄光荧光体及红光荧光体的最佳组合，是实现低色温的LED光源，防治LED蓝光危害的一个重要途径;适用于光源及灯具发光特性的1980彩色亮度计测量色度值，为实现上述途经创造了条件，使该项工作不仅具有科学上的优越性和先进性，也具有技术上的合理性和可行性。

［1］Ni Menglin，He Weiping.Colour Reproduction Measurement and Reference White Chromaticity Value Definition for Color TV Receiver.26届国际照明委员会论文，2007:50－53.

［2］倪孟麟.彩色电视彩色复现的测量与理想色度值的获得.世界广播电视，10(7):20－26.

［3］倪孟麟.彩色电视的彩色复现.2001年“全国电视灯光技术及布光技巧”授课讲稿.电视技术论坛，中国中央电视台，2001，2:79－87.

［4］殷玉喆，马煜，周庆国，桂康年，郑阳，侯素芳，芦汉生.光源色度国家基标准装置体系的建设.走进CIE－26中国照明学会学术论文集，2005.

［5］倪孟麟，倪泽成.彩色电视色度测试中的量值的统一——制定相关国家标准的技术基础.世界广播电视，2000，12.